Лекция 4. Физические основы пластичности и прочности металлов. Основы теории термической обработки (стр. 3 )

прочность. Ввиду малых размеров усы применяют огра­ниченно.

Увеличение размеров усов приводит к появле­нию дислокаций и резкому снижению прочности.

С увеличением количе­ства дислокаций (дефектов) прочность металлов возрастает. Это используют при таких способах упрочнения, как легирование, термическая обработка, холодная пластическая деформация и т. д. Основными причинами упрочнения являются увеличение количества (плотности) дислокаций, искажения кристаллической решетки, возникновение напряжений, измельчение зерен металла и т. д., т. е. все то, что затрудняет свободное перемещение дислокаций.
Предельная плотность дислокаций для упрочнения составляет примерно 1012 см~2. При большей плотности в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение.

Твердость

Твердость материала — сопротивление проникнове­нию в его поверхность стандартного  тела — наконечника (индентора), например шарика, конуса и т. п.,  не дефор­мирующегося при испытании.

Твердость измеряют многими методами, например вдавливанием наконечника, царапанием испытуемой по­верхности алмазным острием под определенной нагруз­кой и т. д. Общим для всех методов определения твердо­сти является создание местных контактных напряжений при воздействии стандартного наконечника на испытуе­мую поверхность. Методы измерения твердости получили широкое применение благодаря быстроте и простоте, портативности оборудования, а также возможности про­водить испытания на готовых деталях (изделиях) без их разрушения. Испытание на твердость — основной метод оценки качества термической обработки изделия.

Наибольшее распространение на практике получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и метод микро­твердости.

Твердость по Бринеллю определяют стати­ческим вдавливанием в испытуемую поверхность под нагрузкой Р стального закаленного шарика диаметром D (рис. 48,а). Число твердости НВ определяют отноше­нием нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка — лунки (шарового сегмента) F диаметром d, т. е.

 

Диаметр шарика D = IO; 5; 2,5 мм выбирают в зависи­мости от толщины изделия.

Для небольших изделий учитывают также размеры поверхности для измерения, так как расстояние от центра отпечатка до края из­делия должно составлять не менее 2,5 мм.

Нагрузку Р выбирают в зависимости от диаметра шарика и из­меряемой твердости, которую приближенно оценивают с учетом при­роды еплава и способа его обработки. Для термически обработан­ной стали и чугуна Я=30 D2, для литой бронзы и латуни Р=10 D2, для алюминия и других очень мягких металлов Р=2,5 D\

Продолжительность выдержки под нагрузкой для стали и чугу­на составляет 10 с, для латуни И бронзы 30 с.

Так как значения D и Р заранее известны, то для определения числа твердости необходимо лишь измерить диаметр отпечатка d и найти соответствующую ему твердость по таблицам.

При испытании часто принимают D=10 мм, Р =3000 кгс, τ = 10 с. Твердость обозначается НВ 250, НВ 300 и т. д., где 250, 300— числа твердости1.

 

Размерность числа твердости (кгс/мм), как правило, не указывают. При других условиях испытания твердость обозначают HBD/P/ ф, например НВ5/250/30—80. Это значит, что твердость измерена шариком D = 5 мм при нагрузке Р=250 кгс и продолжительности выдержки ф =30 с, полученное число твердости 80. ( В этом обозначении: H — начальная буква от слова Hardness — твердость; В— от слова Brinell. В способе Роквелла: H— твердость; R — от слова Rokwell; В — от слова Ball (шар); С — от слова com (конус).

Между пределом прочности и числом твердости НВ для различных металлов установлена

следующая пример­ная зависимость: для стали уB≈ 0,34—0,35 НВ; для мед­ных отожженных сплавов уB ≈ 0,55 НВ; для алюминие­вых сплавов уB ≈  0,354-0,36 НВ,

Метод Роквелла основан на статическом вдавлива­нии в испытуемую поверхность наконечника под опре­деленной нагрузкой (рис. 48,6). В качестве наконечни­ков применяют для отожженной стали и других материалов

  с твердостью до НВ 230 стальной шарик D ≈ 1,6 мм, для более твердых материалов — алмазный конус. Нагружение наконечников производится в два этапа. Пред­варительное— нагрузкой Р0 = 10 кгс на глубину h0 мм производят для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Общая рабочая нагрузка для стального ша­рика Р== 100 кгс, для алмазного конуса Р=150 кгс. Значение твердости определяют по глубине остаточного вдавливания наконечника h мм (находящегося под наг­рузкой Ро) и выражают формулами: HRB=130— (h— hо/0,002) наконечник —шарик; HRC= 100— (h — h0/0,002) наконечник —конус. Величина 0,002 мм — цена деления шкалы индикатора-глубиномера — услов­ная единица твердости. Число твердости указывает стрелка индикатора-глубиномера. При применении ша­рика измерения проводят по шкале В (красной), при алмазном конусе — по шкале С (черной).

Твердость по Роквеллу обозначается: HRB30, HRC60, т. е. твердость 30 по шкале В, 60—по шкале С и т. д. Твердость очень твердых материалов измеряют алмазным конусом при уменьшенной нагрузке Р= = 60 кгс; условное обозначение HRA80, т. е. твердость 80 и т. д.

Между значениями HRA и HRC имеется следующая зависимость: HRC=2HRA—104.

Преимуществом способа Роквелла является быстро­та измерений. Применение алмазного конуса позволяет измерять твердость закаленной стали и других очень твердых материалов, тонких изделий или поверхностно­го слоя толщиной до 0,4 мм (шкала А) и до 0,7 мм (шкалы В и С).

Недостаток измерения твердости по методу Роквелла заключается в том, что необходима тщательная подго­товка поверхности — шлифование. На приборе Роквелла, где глубина отпечатка мала и ее измеряют с точностью до 0,002 мм (цена деления — условная единица твер­дости), могут оказывать влияние загрязненность, виб­рация и другие условия производства.

Твердость по Виккерсу определяют путем статисти­ческого вдавливания в испытуемую поверхность алмаз­ной четырехгранной пирамиды с углом б =136° между противоположными гранями (рис. 48, в). Число твердо­сти определяют так же, как и в способе Бринелля, отно шением нагрузки Р к площади боковой поверхности от­печатка F:

 

где d — величина диагонали отпечатка; Р = 54…100 кгс.

При испытании измеряют обе диагонали отпечатка di и d2 с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса. Числа твердости определяют по среднеарифметической величине (d1+d2)/2 обеих диагоналей.

Преимущество метода Виккерса — возможность из­мерения твердости мягких, а также особо твердых мате­риалов. Этим методом можно измерять твердость очень тонких изделий, а также твердость поверхностных сло­ев, например при обезуглероживании, поверхностном наклепе, цементации и т. д. Вследствие большого угла в вершине наконечника — пирамиды даже при малой глу­бине ее внедрения диагональ отпечатка имеет большую величину, что определяет высокую точность и чувстви­тельность этого метода.

Метод микротвердости предназначен для определе­ния твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплавов (например, зерен феррита в стали), очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). По существу метод микротвердости не отличается от метода Виккерса. Различие состоит лишь в том, что наконечник —четырехгранная пирамида — имеет мень­шие размеры и нагрузки при ее вдавливании составляют от 5 до 500 гс.

3.4. Виды напряжений

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под дей­ствием приложенных сил. Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-механическими процессами, возникающими в самом теле (например, изменением объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).

Возникающие при этом напряжения в случае одноосного растяжения имеют вид у = P/F (кгс/мм2) *. Сила Р, приложенная к некоторой площждке F, обычно не перпендику­лярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возни­кают нормальные и касательные напряжения (рис. 49,а). Нормальные на­пряжения подразделяют на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

(Понятие напряжение введено для оценки величины нагрузки, не зависящей от размеров деформируемого тела. В системе СИ напряжения выражаются в ньютонах или меганьютонах на м2 (1 кгс/мм2 =9,8-10" Н/м2 = 9,8 МН/м2 * 10 МН/.м2).

Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, тре­щин, внутренних дефектов металла (металлургического, технологического или эксплуатационного происхождения), сквозных отверстий, резких пере­ходов от толстого к тонкому сечению и т. д. приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую кон­центрацию нормальных напряжений (рис. 49,6). В связи с этим такие ис­точники концентрации напряжений называют концентраторами напряже­ний. Пик напряжений (ук) тем больше, чем меньше радиус (острие) концентратора напряжения, поэтому все конструкционные концентраторы  напряжений нужно выполнять с должными закруглениями. Так как напря­жения вызываются разными причинами, то различают временные напря­жения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, н внутренние напряжения, Возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, напряжения возникают в процессе кристаллиза­ции, при неоднородной деформации, при термической обработке вслед­ствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т. д. Их называют фазовыми или структурными. Внутренние напряжения различают и по другому признаку (как предложил ).